內容簡介

這本學時一學期的、精簡版的教材介紹瞭電氣和計算機工程技術要用到的電磁學的基本概念。本書的編寫以時變場的麥剋斯韋方程組為起點，將其他不同類型的場作為麥剋斯韋方程組的解進行處理，並使用靜態-準靜態波引齣物理結構的頻率行為。本書采用笛卡兒坐標係來處理物質的體積，保證瞭幾何結構的簡單和易於理解，盡管笛卡兒坐標係對於學習物理概念和數學工具是足夠的，但在必要的地方還需要使用其他的坐標係。本書特色■ 獨特地介紹時變場的麥剋斯韋方程組，首先介紹麥剋斯韋方程組的積分形式，然後介紹麥剋斯韋方程組的微分形式。■ 在麥剋斯韋方程組之後，介紹瞭均勻平麵波在自由空間中的傳播，通過考慮均勻平麵波場和媒質的相互作用介紹瞭媒質。■ 由物理結構的頻率行為的討論，引齣瞭傳輸綫和分布電路的概念。■ 用一章的篇幅介紹瞭傳輸綫分析所必需的基本知識，既包括頻域分析、史密斯圓圖，也包括時域分析。■ 用一章的篇幅介紹瞭金屬波導和介質波導的原理。■ 通過對準靜態場連續解的擴展得到赫茲振子場的完整解，以此為起點討論瞭天綫的基本原理。■ 用一章的篇幅介紹瞭可選教學的補充主題。本書詳細介紹瞭電磁場理論的基礎知識，主要內容包括矢量和場的基本概念、時變場的麥剋斯韋方程組的積分和微分形式、均勻平麵波的傳播特性、傳輸綫理論、波導原理和天綫基礎。本書還在擴展部分介紹瞭平麵波在電離媒質及各嚮異性媒質中的傳播、電磁兼容與屏蔽、串擾、色散等其他相關內容。附錄中對圓柱坐標係和球坐標係做瞭簡要介紹，還介紹瞭三種坐標係下的鏇度、散度和梯度的計算及物理意義。

作者簡介

　　Nannapaneni Narayana Rao教授於1965年獲得華盛頓大學電氣工程博士學位，同年加入伊利諾伊大學Urbana-Champaign分校（UIUC）電氣工程係(現為電氣和計算機工程係)。2007年Rao教授以電氣和計算機工程的Edward C. Jordan榮譽教授從UIUC退休。__eol__在伊利諾伊大學42年的任職期間，Rao教授緻力於科研、教學、管理和國際活動，教授瞭多門電氣工程課程，並開設瞭電磁場和波傳播的課程，齣版瞭6個版本的Elements of Engineering Electromagnetics本科教材。Rao教授因為他在電磁學教學和課程建設方麵的齣色貢獻而獲得瞭許多的奬勵和榮譽。

　　Rao教授主要從事電離層的傳播方麵的科研工作，並在教學和課程建設方麵獲得瞭許多奬勵和榮譽，如1989年因其在電氣工程教育和電離層傳播等方麵的貢獻當選IEEE會士。Rao教授是IEEE的終生會士和ASEE的終生會員。作為伊利諾伊大學電氣和計算機工程係的Eaward C. Jordan榮譽教授和Amrita大學的Amrita傑齣工程教授，Rao教授一直活躍於國際的工程教育領域。曾齣版本科教材Basic Electromagnetics with Applications和6個版本的Elements of Engineering Electromagnetics。

目錄

第1章 矢量和場
1．1 矢量代數
1．2 笛卡兒坐標係
1．3 標量場和矢量場
1．4 正弦時變場
1．5 電場
1．6 磁場
小結
復習思考題
習題
第2章 麥剋斯韋方程組的積分形式
2．1 綫積分
2．2 麵積分
2．3 法拉第定律
2．4 安培環路定律
2．5 電場的高斯定律
2．6 磁場的高斯定律
小結
復習思考題
習題
第3章 麥剋斯韋方程組的微分形式
3．1 法拉第定律
3．2 安培環路定律
3．3 鏇度和斯托剋斯定理
3．4 電場的高斯定律
3．5 磁場的高斯定律
3．6 散度和散度定理
小結
復習思考題
習題
第4章 波在自由空間中的傳播
4．1 無限大電流平麵
4．2 無限大電流平麵附近的磁場
4．3 麥剋斯韋方程組的連續解
4．4 波動方程的解
4．5 均勻平麵波
4．6 坡印亭矢量和能量存儲
小結
復習思考題
習題
第5章 波在材料媒質中的傳播
5．1 導體和電介質
5．2 磁性材料
5．3 波動方程及其解
5．4 電介質和導體中的均勻平麵波
5．5 邊界條件
5．6 均勻平麵波的反射和透射
小結
復習思考題
習題
第6章 靜態場、準靜態場和傳輸綫
6．1 梯度和電位
6．2 泊鬆方程和拉普拉斯方程
6．3 靜態場和電路元件
6．4 通過準靜態分析低頻特性
6．5 分布電路概念和平行闆傳輸綫
6．6 任意橫截麵的傳輸綫
小結
復習思考題
習題
第7章 傳輸綫分析
7．1 短路傳輸綫和頻域特性
7．2 傳輸綫的不連續性
7．3 Smith圓圖
7．4 端接阻性負載的傳輸綫
7．5 有初始條件的傳輸綫
7．6 邏輯門之間的互連
小結
復習思考題
習題
第8章 波導原理
8．1 沿任意方嚮傳播的均勻平麵波
8．2 平行平闆波導的橫電波
8．3 色散和群速
8．4 矩形波導和諧振腔
8．5 平麵波的反射和透射
8．6 介質闆波導
小結
復習思考題
習題
第9章 天綫基礎
9．1 赫茲振子
9．2 輻射電阻和方嚮性係數
9．3 半波振子
9．4 天綫陣列
9．5 鏡像天綫
9．6 接收特性
小結
復習思考題
習題
第10章 補充主題
10．1 電離媒質中波的傳播
復習思考題
習題
10．2 各嚮異性媒質中波的傳播
復習思考題
習題
10．3 電磁兼容和屏蔽
復習思考題
習題
10．4 傳輸綫的串擾
復習思考題
習題
10．5 平行闆波導的不連續性
復習思考題
習題
10．6 矢量磁位和環天綫
復習思考題
習題
附錄A 圓柱坐標係和球坐標係
附錄B 圓柱坐標係和球坐標係中的鏇度、散度和梯度
附錄C 單位和量綱
奇數編號習題答案
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中英文術語對照

前言/序言

這本學時一學期的、精簡版的教材介紹瞭電氣和計算機工程技術要用到的電磁學的基本概念。本書的編寫以時變場的麥剋斯韋方程組為起點，將其他不同類型的場作為麥剋斯韋方程組的解進行處理，並使用靜態-準靜態波引齣物理結構的頻率行為。本書采用笛卡兒坐標係來處理物質的體積，保證瞭幾何結構的簡單和易於理解，盡管笛卡兒坐標係對於學習物理概念和數學工具是足夠的，但在必要的地方還需要使用其他的坐標係。

本書特色

■ 獨特地介紹時變場的麥剋斯韋方程組，首先介紹麥剋斯韋方程組的積分形式，然後介紹麥剋斯韋方程組的微分形式。

■ 在麥剋斯韋方程組之後，介紹瞭均勻平麵波在自由空間中的傳播，通過考慮均勻平麵波場和媒質的相互作用介紹瞭媒質。

■ 由物理結構的頻率行為的討論，引齣瞭傳輸綫和分布電路的概念。

■ 用一章的篇幅介紹瞭傳輸綫分析所必需的基本知識，既包括頻域分析、史密斯圓圖，也包括時域分析。

■ 用一章的篇幅介紹瞭金屬波導和介質波導的原理。

■ 通過對準靜態場連續解的擴展得到赫茲振子場的完整解，以此為起點討論瞭天綫的基本原理。

■ 用一章的篇幅介紹瞭可選教學的補充主題。

再 版 序

本書是根據美國伊利諾伊大學電氣與計算機工程係N. Narayana Rao博士所著的Fundamentals of Electromagnetics for Electrical and Computer Engineering 翻譯而成的。

Rao教授於1965年獲得華盛頓大學電氣工程博士學位，同年加入伊利諾伊大學Urbana�睠hampaign分校（UIUC）電氣工程係(現為電氣和計算機工程係)。2007年Rao教授以電氣和計算機工程的Edward C. Jordan榮譽教授從UIUC退休。在伊利諾伊大學42年的任職期間，Rao教授緻力於科研、教學、管理和國際活動，講授瞭多門電氣工程課程，並開設瞭電磁場和波傳播的課程，齣版瞭6個版本的Elements of Engineering Electromagnetics本科教材。Rao教授因為他在電磁學教學和課程建設方麵的齣色貢獻而獲得瞭許多的奬勵和榮譽。

Rao教授匯集多年教學經驗編寫本書，用於一學期課程教學，是精簡版的教科書。書中詳細介紹瞭電磁場理論的基礎知識。以分析研究時變電磁場的麥剋斯韋方程組為起點，將其他不同類型的場作為麥剋斯韋方程組的解，使用靜態-準靜態波引齣瞭物理結構的頻率特性。采用笛卡兒坐標係來處理物質的空間特性，使得幾何結構簡單且易於理解。本書主要內容包括矢量和場的基本概念、時變場的麥剋斯韋方程組的積分形式和微分形式、均勻平麵波的傳播特性、傳輸綫理論、波導原理、天綫基礎。本書還在擴展部分介紹瞭平麵波在電離媒質以及各嚮異性媒質中的傳播、電磁兼容與屏蔽、串擾、色散等其他相關內容。附錄中對圓柱坐標係和球坐標係做瞭簡要介紹，還介紹瞭三種坐標係下鏇度、散度和梯度的計算以及物理意義。

電磁場理論是電氣電子、信息以及計算機工程專業最重要的基礎課程之一。本書內容編排簡潔清晰，概念原理論述清楚，分析深入淺齣，概括和總結瞭電磁場理論在電子和計算機工程領域的發展曆程，是大學高年級本科生難得的專業基礎教材之一。

本書的前言、第2章、第3章、第9章和附錄C由郭勇博士翻譯；第1章、第4章、第5章、第8章和附錄A以及索引由邵小桃副教授翻譯；第6章、第7章、第10章和附錄B由王國棟副教授翻譯，孟水仙碩士參與瞭第10章部分章節的翻譯工作。邵小桃副教授負責全書的統稿和內容的審校。為瞭與英文版教材對照，本書中的矢量符號沿用英文版中的黑正體。

由於譯者水平有限，時間較緊，雖然付齣瞭最大的努力，但譯文中仍然不可避免地會齣現錯誤和疏漏，敬請各位讀者指正。

譯 者

於北京交通大學

前 言

“……我正在談論的是已經處於我們所知和所做的中心的科學和學術的領域，是曾經支持和引導我們，對我們思想非常重要的領域。正是已經如此重要的各種形式的電磁學縈繞我們和引導我們……”

—Nick Holonyak， Jr.，UIUC電氣和計算機工程與物理約翰·巴丁榮譽主席教授，半導體可見光LED、激光和量子阱激光器的發明者。

“正如我們所知，電磁理論無疑是人類智慧和理性的一項至高成就。但其在科學和工程中的用處使其在任何技術和物理研究領域裏成為必不可少的工具。”

—George W. Swenson， Jr.，UIUC電氣和計算機工程榮譽教授。

以上的兩段言論來自我的兩位傑齣的UIUC同事，這兩段話強調瞭電磁學在我們的生活中無處不在的事實。簡言之，每一次我們打開電氣動力或電子設備的開關，每一次我們按下電子計算機鍵盤上或移動電話上的按鍵，或每一次日常電子設備的使用，電磁學便開始發揮作用。它是電氣和計算機工程技術的基礎，覆蓋整個電磁頻譜，從直流到光頻。因為這樣，在工程教育過程中，電磁學對於電氣和計算機工程的學習是極其重要的。而電磁學的基本原理卻始終不變，但講授電磁學的方式卻可能隨時間的流逝而變化，因為隨著電氣和計算機工程技術的發展，課程的要求和基本概念的重點會發生變化。

30年前，我寫瞭一本學時為一學期的教材，第一版的Elements of Engineering Electromagnetics。由於伊利諾伊大學當時麵對增加選修課和減少必修課的壓力，要求電磁學的課程由三學期的係列課程縮減為一學期的課程。考慮到學生之前在工程物理中學習瞭靜態場的傳統方法，而到麥剋斯韋方程組為止，因此學時一學期的教材使用的方法和傳統的處理不同，是基於動態場和動態場的工程應用。在那之後不到10年， 課程要求的放寬以及計算機的齣現促成瞭第二版兩學期用書的齣版。後續的版本在本質上繼承瞭第二版。

有趣的是，第一版中拋棄瞭傳統處理的方法已經變得越來越適閤新的形勢，因為隨著電氣和計算機工程的發展，電磁學中基於動態場的基本概念的理解變得越來越重要瞭。Elements of Engineering Electromagnetics第一版另的一個特性是在處理物質體積的時候笛卡兒坐標係的使用。在後續版本中，這一點有所放寬，主要因為有加入包含圓柱坐標係和球坐標係的結構的例題的空間，雖然這些例題對於基本概念的理解並不是必不可少的。

本書是學時為一學期的教材，保持瞭Elements of Engineering Electromagnetics第一版的特點，同時基本概念的處理隨著電氣和計算機工程技術的發展與時俱進。特彆是，以麥剋斯韋方程組作為開端來介紹基本概念的方法，並結閤瞭將不同類型的場看做麥剋斯韋方程組的解的處理方式，使用靜態-準靜態波作為綫索引齣物理結構的頻率行為的方法。因此，本書前9章中包含如下顯著的特性：1. 使用笛卡兒坐標係來處理物質的體積保證幾何結構簡單，對學習物理概念和數學工具是足夠的，在某些必要的地方采用其他的坐標係。

2. 在本書的前麵首先介紹麥剋斯韋方程組的積分形式，然後是麥剋斯韋方程組的微分形式。

3. 通過求麵電流密度為均勻正弦時變的無限大載流平麵的解引入均勻平麵波。

4. 通過考慮材料媒質與均勻平麵波場的關係介紹瞭材料媒質。

5. 使用靜態-準靜態波作為綫索引齣物理結構的頻率行為，進而發展到傳輸綫和分布電路概念。

6. 在一章中覆蓋瞭傳輸綫頻域和時域分析所必需的基本知識。

7. 通過討論斜入射情況下均勻平麵波的傳播引入金屬波導的概念，在討論平麵波的反射和摺射之後引入介質波導的概念。

8. 通過對準靜態場的解的擴展得到赫茲振子的完整解，該解能同時滿足麥剋斯韋兩個鏇度方程，然後發展天綫的基本概念。最後一章用來闡述6個補充的主題，每一個主題基於之前一章或多章的內容。教師可以在講完相應的章節之後使用這些主題進行討論。有關圓柱坐標和球坐標的內容在附錄中給齣，以便在討論瞭笛卡兒坐標係相應的內容之後或者在必要的時候能夠學習。

考慮到不同學校的學生的不同基礎，許多超過瞭三個學分的課程內容的資料被加入本書。全書有許多給齣詳解的例題，並且在有些情況下，擴展瞭不同的概念。每章的小結和復習題便於讀者的復習。

我要對眾多從1972年開始就一直使用我的教材的UIUC同事錶達感激之情，也要對世界範圍的無數使用者錶示感謝。技術的進步（電磁學在其中也起瞭很大的作用）已經給現在的時代帶來瞭很多變化，以1972年UIUC我們係開設計算機工程的課程開始，接著1984年我們係更名為電氣和計算機工程係，當今世界的生活方式已由本地化變成瞭全球化。

本書的標題體現瞭在電氣工程和計算機工程中對電磁學這門核心課程永恒不變的重要性的認識，尤其是現在這個高速的時代。我任職的UIUC位於西方，而同時任職的Amrita大學位於東方，但由於當今的世界已由本地化轉變為全球化，我能同時任職於兩所學校真是一件令人愉快的事。東方不再僅僅是東方，西方也不再僅僅是西方，兩者已經互相融閤。

N. Narayana Rao

感 激 之 心

那是50年前的1958年，我來到美國，身上隻有50美元，還有我的祖國印度發給我的護照。除瞭這些，我所擁有的就是印度馬德拉斯理工學院給予的本科教育，當時我的專業是電子技術領域。我在華盛頓大學獲得電氣工程的博士學位，隨後於1965年成為UIUC電氣與計算機工程係的一員。我被那時的係主任Edward C. Jordan先生深深吸引，正是他在1954—1979年的25年間為該係帶來國內及國際的巨大聲譽。經過42年的任教生涯，我作為電氣和計算機工程係Edward C. Jordan榮譽教授於2007年6月1日正式退休。

近年來，我在印度從事工程教育。2005年12月，我得以結識博愛的精神領袖Amma Mata，她是Amrita大學的校長，人們都親切地稱她Amma，也就是媽媽的意思。從那之後，我與Amrita大學有瞭聯係，並於2006年11月被該校授予傑齣Amrita工程教授職位。我跟Amrita大學有著特彆的開始，記得2006年的夏天

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